Koolstofdatering -
Radiocarbon dating

Van Wikipedia, de gratis encyclopedie

Radiokoolstofdatering (ook wel koolstofdatering of koolstof-14-datering genoemd ) is een methode om de ouderdom te bepalen van een object dat organisch materiaal bevat door gebruik te maken van de eigenschappen van radiokoolstof , een radioactieve isotoop van koolstof .

(de tijdsperiode waarna de helft van een bepaald monster zal zijn vervallen) is ongeveer 5.730 jaar, de oudste data die betrouwbaar kunnen worden gemeten door dit proces dateren van ongeveer 50.000 jaar geleden, hoewel speciale voorbereidingsmethoden af ​​en toe nauwkeurige analyses maken van oudere monsters mogelijk. Libby ontving in 1960 de in de atmosfeer, dat rond 1965 een maximum bereikte van bijna het dubbele van de hoeveelheid die vóór de kernproeven in de atmosfeer aanwezig was.

in verschillende regio's.

Achtergrond

Geschiedenis

, die toen in Berkeley was, van Korff's onderzoek en kwam op het idee dat het mogelijk zou kunnen zijn om radiokoolstof te gebruiken voor datering.

in 1947, waarin de auteurs opmerkten dat hun resultaten impliceerden dat het mogelijk zou zijn om materialen te dateren die koolstof van organische oorsprong bevatten.

Libby en James Arnold gingen verder met het testen van de radiokoolstofdateringstheorie door monsters met bekende leeftijden te analyseren. Bijvoorbeeld, twee monsters genomen uit de graven van twee Egyptische koningen, Zoser en Sneferu , onafhankelijk gedateerd op 2625 voor Christus plus of min 75 jaar, werden gedateerd door middel van radiokoolstofmeting tot een gemiddelde van 2800 voor Christus plus of min 250 jaar. Deze resultaten werden in december 1949 gepubliceerd in Science . Binnen 11 jaar na hun aankondiging waren er wereldwijd meer dan 20 radiokoolstofdateringslaboratoria opgezet. In 1960 ontving Libby voor dit werk de

Fysische en chemische details

wordt aangemaakt:

waarbij n staat voor een neutron en p staat voor een proton .

).

_

is:

_

Principes

zal worden achtergelaten.

De vergelijking die het verval van een radioactieve isotoop regelt is:

is 8.267 jaar, dus de bovenstaande vergelijking kan worden herschreven als:

, de leeftijd van het monster, mogelijk met behulp van de bovenstaande vergelijking.

blijft; een kwart zal na 11.400 jaar overblijven; een achtste na 17.100 jaar; enzovoort.

-ratio is in de loop van de tijd niet veranderd.

in de atmosfeer na verloop van tijd.

Koolstofuitwisselingsreservoir

in evenwicht met de atmosfeer.

-ratio lager dan die van de biosfeer.

Overwegingen voor daten

die het bevat, geeft vaak een onjuist resultaat. Er zijn verschillende andere mogelijke foutenbronnen waarmee rekening moet worden gehouden. De fouten zijn van vier algemene typen:

  • isotopische fractionering;
  • besmetting.

Atmosferische variatie

.

-activiteit als de extra koolstof uit fossiele brandstoffen zou worden verdeeld over het koolstofuitwisselingsreservoir, maar vanwege de lange vertraging bij het mengen met de diepe oceaan, is het werkelijke effect een reductie van 3%.

of "bomkoolstof" (zoals het soms wordt genoemd) in de rest van het reservoir sijpelt.

Isotopische fractionering

-verhoudingen in planten die afwijken van de verhoudingen in de atmosfeer. Dit effect staat bekend als isotopische fractionering.

, wordt als volgt berekend:

ik
waarden zijn negatief.

North Ronaldsay schapen op het strand in North Ronaldsay . In de winter eten deze schapen zeewier, dat een hogere
δ
13 C . heeftinhoud dan gras; monsters van deze schapen hebben een
δ
13 Cwaarde van ongeveer −13‰, wat veel hoger is dan voor schapen die zich voeden met grassen.
Materiaal Typisch
δ
13 Cbereik VOB 0‰ marien plankton −22‰ tot −17‰ C3-planten −30‰ tot −22‰ C4 planten −15‰ tot −9‰ −8‰ −32‰ tot −13‰ ten opzichte van de voeding.

waarde voor dat monster direct dan te vertrouwen op de gepubliceerde waarden.

-straling is vergelijkbaar met metingen voor de rest van de biosfeer. Corrigeren voor isotopenfractionering, zoals wordt gedaan voor alle radiokoolstofdateringen om vergelijking tussen resultaten van verschillende delen van de biosfeer mogelijk te maken, geeft een schijnbare leeftijd van ongeveer 400 jaar voor oceaanoppervlaktewater.

Reservoir effecten

-verhouding in het uitwisselingsreservoir is over de hele wereld constant, maar sindsdien is ontdekt dat er verschillende oorzaken zijn voor variatie in de verhouding over het reservoir.

Marien effect

met het oppervlaktewater, en als gevolg daarvan heeft water uit sommige diepzeegebieden een schijnbare radiokoolstofleeftijd van enkele duizenden jaren. Opwelling vermengt dit "oude" water met het oppervlaktewater, waardoor het oppervlaktewater (na correctie voor fractionering) een schijnbare ouderdom heeft van ongeveer enkele honderden jaren. Dit effect is niet uniform – het gemiddelde effect is ongeveer 400 jaar, maar er zijn lokale afwijkingen van enkele honderden jaren voor gebieden die geografisch dicht bij elkaar liggen. Met deze afwijkingen kan rekening worden gehouden bij de kalibratie en gebruikers van software zoals CALIB kunnen als invoer de juiste correctie voor de locatie van hun monsters leveren. Het effect is ook van toepassing op mariene organismen zoals schelpen en zeezoogdieren zoals walvissen en zeehonden, die een radiokoolstofleeftijd hebben die honderden jaren oud lijkt te zijn.

Halfrond effect

wordt sneller uit de zuidelijke atmosfeer verwijderd dan in het noorden. Het effect wordt versterkt door sterke opwelling rond Antarctica.

Andere effecten

kunnen vergelijkbare resultaten opleveren en kunnen ook de schijnbare leeftijd verminderen als ze van recentere oorsprong zijn dan het monster. Het effect varieert sterk en er is geen algemene offset die kan worden toegepast; meestal is aanvullend onderzoek nodig om de grootte van de offset te bepalen, bijvoorbeeld door de radiokoolstofleeftijd van afgezette zoetwaterschelpen te vergelijken met bijbehorend organisch materiaal.

bleken bijvoorbeeld een schijnbare leeftijd te hebben die varieerde van 250 jaar tot 3320 jaar.

besmetting

, veroorzaakt een fout in de andere richting, onafhankelijk van leeftijd - een monster dat is verontreinigd met 1% oude koolstof zal ongeveer 80 jaar ouder lijken dan het in werkelijkheid is, ongeacht de datum van het monster.

Monsters

-gehalte; dit kan omzetting in gasvormige, vloeibare of vaste vorm betekenen, afhankelijk van de te gebruiken meettechniek. Voordat dit kan worden gedaan, moet het monster worden behandeld om eventuele verontreinigingen en ongewenste bestanddelen te verwijderen. Dit omvat het verwijderen van zichtbare verontreinigingen, zoals worteltjes die mogelijk in het monster zijn binnengedrongen sinds de begraving. Alkali- en zuurwassingen kunnen worden gebruikt om verontreiniging met humuszuur en carbonaat te verwijderen, maar er moet voor worden gezorgd dat het deel van het monster dat de te testen koolstof bevat, wordt verwijderd.

Materiële overwegingen

  • Het is gebruikelijk om een ​​houtmonster vóór het testen te reduceren tot alleen de cellulosecomponent, maar aangezien dit het volume van het monster tot 20% van de oorspronkelijke grootte kan verminderen, wordt vaak ook het hele hout getest. Houtskool wordt vaak getest, maar heeft waarschijnlijk een behandeling nodig om verontreinigingen te verwijderen.
  • Onverbrand bot kan worden getest; het is gebruikelijk om het te dateren met behulp van collageen , de eiwitfractie die overblijft na het wegwassen van het structurele materiaal van het bot. Hydroxyproline , een van de samenstellende aminozuren in bot, werd ooit beschouwd als een betrouwbare indicator omdat het niet voorkwam, behalve in bot, maar het is sindsdien in grondwater aangetroffen.
  • Voor verbrand bot hangt de testbaarheid af van de omstandigheden waaronder het bot is verbrand. Als het bot onder reducerende omstandigheden werd verwarmd , is het (en de bijbehorende organische stof) mogelijk verkoold. In dit geval is het monster vaak bruikbaar.
  • Schelpen van zowel zee- als landorganismen bestaan ​​bijna volledig uit calciumcarbonaat, hetzij als aragoniet of als calciet , of een mengsel van beide. Calciumcarbonaat is zeer gevoelig voor oplossen en herkristalliseren; het herkristalliseerde materiaal bevat koolstof uit de omgeving van het monster, die van geologische oorsprong kan zijn. Als het testen van een herkristalliseerde schaal onvermijdelijk is, is het soms mogelijk om het originele schaalmateriaal te identificeren aan de hand van een reeks tests. Het is ook mogelijk om conchiolin te testen , een organisch eiwit dat in de schaal wordt aangetroffen, maar het vormt slechts 1-2% van het schaalmateriaal.
  • De drie belangrijkste componenten van turf zijn humuszuur , humines en fulvinezuur . Hiervan geven humines de meest betrouwbare datum omdat ze onoplosbaar zijn in alkali en minder snel verontreinigingen uit de omgeving van het monster bevatten. Een bijzondere moeilijkheid bij gedroogde turf is het verwijderen van worteltjes, die waarschijnlijk moeilijk te onderscheiden zijn van het monstermateriaal.
  • De bodem bevat organisch materiaal, maar vanwege de kans op besmetting door humuszuur van recentere oorsprong, is het erg moeilijk om bevredigende radiokoolstofdateringen te krijgen. Het verdient de voorkeur de grond te zeven op fragmenten van organische oorsprong en de fragmenten te dateren met methoden die kleine steekproeven tolerant zijn.
  • Andere materialen die met succes zijn gedateerd, zijn ivoor, papier, textiel, individuele zaden en granen, stro uit modderstenen en verkoolde voedselresten die in aardewerk zijn gevonden.

Bereiding en grootte

-ratio in oud materiaal en verlengt de maximale leeftijd die betrouwbaar kan worden gerapporteerd.

kan ook worden gebruikt.

De hoeveelheid materiaal die nodig is voor het testen hangt af van het type monster en de gebruikte technologie. Er zijn twee soorten testtechnologie: detectoren die radioactiviteit registreren, ook wel bètatellers genoemd, en versnellermassaspectrometers. Voor bètatellers is doorgaans een monster met een gewicht van ten minste 10 gram (0,35 ounces) vereist. Versnellermassaspectrometrie is veel gevoeliger en er kunnen monsters worden gebruikt die slechts 0,5 milligram koolstof bevatten.

Meting en resultaten

-ratio is exact in elkaar om te rekenen. Lange tijd waren bèta-telmethoden nauwkeuriger dan AMS, maar AMS is nu nauwkeuriger en is de voorkeursmethode geworden voor metingen van radiokoolstof. Naast een verbeterde nauwkeurigheid heeft AMS nog twee belangrijke voordelen ten opzichte van het tellen van bèta's: het kan nauwkeurige tests uitvoeren op monsters die veel te klein zijn voor het tellen van bèta's, en het is veel sneller - een nauwkeurigheid van 1% kan in minuten worden bereikt met AMS, wat is veel sneller dan haalbaar zou zijn met de oudere technologie.

Beta tellen

zijn zo zwak dat de helft wordt tegengehouden door een dikte van 0,01 mm aluminium.

gebruikt; deze registreren gebeurtenissen buiten de teller en elke gebeurtenis die tegelijkertijd zowel binnen als buiten de teller wordt geregistreerd, wordt beschouwd als een externe gebeurtenis en wordt genegeerd.

omdat ze een interactie aangaan met een fluorescerend middel dat aan de benzeen is toegevoegd. Net als gastellers, vereisen vloeistofscintillatietellers afscherming en anticoïncidentietellers.

_ Bovendien wordt een monster met een standaardactiviteit gemeten, om een ​​basislijn voor vergelijking te verschaffen.

Versneller massaspectrometrie

Vereenvoudigde schematische lay-out van een versnellermassaspectrometer die wordt gebruikt voor het tellen van koolstofisotopen voor koolstofdatering
-signaal van de procesblanco meet de hoeveelheid verontreiniging die is geïntroduceerd tijdens de voorbereiding van het monster. Deze metingen worden gebruikt bij de latere berekening van de leeftijd van het monster.

Berekeningen

De berekeningen die op de uitgevoerde metingen moeten worden uitgevoerd, zijn afhankelijk van de gebruikte technologie, aangezien bètatellers de radioactiviteit van het monster meten, terwijl AMS de verhouding van de drie verschillende koolstofisotopen in het monster bepaalt.

Om de leeftijd te bepalen van een monster waarvan de activiteit is gemeten door bètatelling, moet de verhouding van de activiteit tot de activiteit van de standaard worden gevonden. Om dit te bepalen, wordt een blanco monster (van oude of dode koolstof) gemeten en wordt een monster met bekende activiteit gemeten. Met de extra monsters kunnen fouten zoals achtergrondstraling en systematische fouten in de laboratoriumopstelling worden opgespoord en gecorrigeerd. Het meest gebruikelijke standaardmonstermateriaal is oxaalzuur, zoals de HOxII-standaard, waarvan 1.000 lb in 1977 werd bereid door het National Institute of Standards and Technology (NIST) uit Franse bietenoogsten.

-ratio die in 1950 gemeten zou zijn als er geen fossiele brandstofeffect was geweest.

-waarde van −25‰.

-verhouding bekend is, wordt een "radiokoolstofleeftijd" berekend met:

De berekening gebruikt 8.033 jaar, de gemiddelde levensduur afgeleid van Libby's halfwaardetijd van 5.568 jaar, niet 8.267 jaar, de gemiddelde levensduur afgeleid van de meer nauwkeurige moderne waarde van 5.730 jaar. Libby's waarde voor de halfwaardetijd wordt gebruikt om consistentie te behouden met vroege resultaten van radiokoolstoftests; kalibratiecurves bevatten hiervoor een correctie, zodat de nauwkeurigheid van de uiteindelijke gerapporteerde kalenderleeftijden gegarandeerd is.

Fouten en betrouwbaarheid

te meten met dezelfde fouttermijn van 80 jaar.

meetbaar zijn. Oudere data zijn verkregen door gebruik te maken van speciale monstervoorbereidingstechnieken, grote monsters en zeer lange meettijden. Met deze technieken kunnen data worden gemeten tot 60.000 en in sommige gevallen tot 75.000 jaar voor het heden.

Radiokoolstofdatums worden over het algemeen gepresenteerd met een bereik van één standaarddeviatie (meestal weergegeven door de Griekse letter sigma als 1σ) aan weerszijden van het gemiddelde. Een datumbereik van 1σ vertegenwoordigt echter slechts een betrouwbaarheidsniveau van 68%, dus de werkelijke leeftijd van het te meten object kan buiten het vermelde datumbereik liggen. Dit werd in 1970 aangetoond door een experiment van het radiokoolstoflaboratorium van het British Museum, waarbij gedurende zes maanden wekelijks aan hetzelfde monster werd gemeten. De resultaten varieerden sterk (hoewel consistent met een normale verdeling van fouten in de metingen), en omvatten meerdere datumbereiken (van 1σ betrouwbaarheid) die elkaar niet overlappen. De metingen omvatten een met een bereik van ongeveer 4250 tot ongeveer 4390 jaar geleden, en een andere met een bereik van ongeveer 4520 tot ongeveer 4690.

Fouten in de procedure kunnen ook leiden tot fouten in de resultaten. Als 1% van de benzeen in een modern referentiemonster per ongeluk verdampt, zal scintillatietelling een radiokoolstofleeftijd geven die ongeveer 80 jaar te jong is.

Kalibratie

De stronk van een zeer oude bristlecone pine. Boomringen van (onder andere) deze bomen worden gebruikt bij het bouwen van calibratiecurves.
-ratio was historisch constant geweest. Hoewel Libby al in 1955 had gewezen op de mogelijkheid dat deze veronderstelling onjuist was, werd het pas duidelijk toen er discrepanties begonnen te ontstaan ​​tussen gemeten leeftijden en bekende historische data voor artefacten, dat een correctie moest worden toegepast op de leeftijden van radiokoolstof om kalenderdata verkrijgen.

Om een ​​curve te produceren die kan worden gebruikt om kalenderjaren te relateren aan radiokoolstofjaren, is een reeks betrouwbaar gedateerde monsters nodig die kunnen worden getest om hun radiokoolstofleeftijd te bepalen. De studie van boomringen leidde tot de eerste dergelijke reeks: individuele stukken hout vertonen karakteristieke reeksen van ringen die in dikte variëren vanwege omgevingsfactoren zoals de hoeveelheid regenval in een bepaald jaar. Deze factoren zijn van invloed op alle bomen in een gebied, dus het onderzoeken van boomringreeksen van oud hout maakt het mogelijk overlappende reeksen te identificeren. Op deze manier kan een ononderbroken opeenvolging van jaarringen tot ver in het verleden worden doorgetrokken. De eerste dergelijke gepubliceerde sequentie, gebaseerd op ringen van naaldbomen, werd gemaakt door Wesley Ferguson . Hans Suess gebruikte deze gegevens om in 1967 de eerste kalibratiecurve voor radiokoolstofdatering te publiceren. De curve vertoonde twee soorten variaties vanaf de rechte lijn: een fluctuatie op lange termijn met een periode van ongeveer 9.000 jaar, en een variatie op kortere termijn, vaak aangeduid om als "wiebelt", met een periode van tientallen jaren. Suess zei dat hij de lijn trok die de kronkels liet zien door "kosmische schwung ", waarmee hij bedoelde dat de variaties werden veroorzaakt door buitenaardse krachten. Het was enige tijd onduidelijk of de wiggles echt waren of niet, maar ze zijn nu goed ingeburgerd. Deze kortetermijnfluctuaties in de kalibratiecurve staan ​​nu bekend als de Vries-effecten, naar Hessel de Vries .

Een kalibratiecurve wordt gebruikt door de door een laboratorium gerapporteerde radiokoolstofdatum te nemen en vanaf die datum op de verticale as van de grafiek af te lezen. Het punt waar deze horizontale lijn de curve snijdt, geeft de kalenderleeftijd van het monster op de horizontale as. Dit is het omgekeerde van de manier waarop de curve is opgebouwd: een punt op de grafiek is afgeleid van een steekproef van bekende leeftijd, zoals een jaarring; wanneer het wordt getest, geeft de resulterende radiokoolstofleeftijd een gegevenspunt voor de grafiek.

De curve van het noordelijk halfrond van IntCal20. Vanaf 2020 is dit de meest recente versie van de standaard kalibratiecurve. De diagonale lijn laat zien waar de curve zou liggen als de koolstofleeftijden en kalenderleeftijden hetzelfde waren.

In de loop van de volgende dertig jaar werden veel kalibratiecurves gepubliceerd met behulp van een verscheidenheid aan methoden en statistische benaderingen. Deze werden vervangen door de IntCal-reeks curven, te beginnen met IntCal98, gepubliceerd in 1998, en bijgewerkt in 2004, 2009, 2013 en 2020. De verbeteringen aan deze curven zijn gebaseerd op nieuwe gegevens verzameld uit boomringen, varven , koraal , planten macrofossielen , speleothemen en foraminiferen . De IntCal20-gegevens bevatten afzonderlijke curven voor het noordelijk en zuidelijk halfrond, omdat ze systematisch verschillen vanwege het halfrondeffect. De zuidelijke curve (SHCAL20) is waar mogelijk gebaseerd op onafhankelijke gegevens en afgeleid van de noordelijke curve door de gemiddelde offset op te tellen voor het zuidelijk halfrond waar geen directe gegevens beschikbaar waren. Er is ook een aparte maritieme kalibratiecurve, MARINE20. Voor een set monsters die een reeks vormen met een bekende scheiding in de tijd, vormen deze monsters een subset van de kalibratiecurve. De volgorde kan worden vergeleken met de kalibratiecurve en de beste match met de vastgestelde volgorde. Deze "wiggle-matching" -techniek kan leiden tot een nauwkeurigere datering dan mogelijk is met individuele radiokoolstofdateringen. Wiggle-matching kan worden gebruikt op plaatsen met een plateau op de kalibratiecurve en kan daarom een ​​veel nauwkeurigere datum opleveren dan de interceptie- of waarschijnlijkheidsmethoden kunnen produceren. De techniek is niet beperkt tot jaarringen; bijvoorbeeld, een gelaagde tephra -reeks in Nieuw-Zeeland, waarvan wordt aangenomen dat deze dateert van vóór de menselijke kolonisatie van de eilanden, is gedateerd op 1314 AD ± 12 jaar door wiebelen. De kronkels betekenen ook dat het lezen van een datum uit een kalibratiecurve meer dan één antwoord kan geven: dit gebeurt wanneer de curve voldoende op en neer beweegt zodat de radiokoolstofleeftijd de curve op meer dan één plaats onderschept, wat ertoe kan leiden dat een radiokoolstofresultaat wordt gerapporteerd als twee afzonderlijke leeftijdsgroepen, overeenkomend met de twee delen van de curve die de radiokoolstofleeftijd onderschepte.

Bayesiaanse statistische technieken kunnen worden toegepast wanneer er meerdere radiokoolstofdateringen moeten worden gekalibreerd. Als bijvoorbeeld een reeks radiokoolstofdateringen van verschillende niveaus in een stratigrafische reeks wordt genomen, kan Bayesiaanse analyse worden gebruikt om datums te evalueren die uitbijters zijn en kunnen verbeterde kansverdelingen worden berekend, op basis van de eerdere informatie dat de reeks op tijd moet worden geordend . Toen Bayesiaanse analyse werd geïntroduceerd, was het gebruik ervan beperkt door de noodzaak om mainframecomputers te gebruiken om de berekeningen uit te voeren, maar de techniek is sindsdien geïmplementeerd in programma's die beschikbaar zijn voor personal computers, zoals OxCal.

Rapportagedata

Sinds de datum van de eerste monsters zijn verschillende formaten gebruikt voor het citeren van radiokoolstofresultaten. Vanaf 2019 is het standaardformaat vereist door het tijdschrift Radiocarbon als volgt.

BP", waarbij: